In einer neuen Studie über die ökologischen Auswirkungen von Wirbelstürmen befasst sich ein internationales Forscherteam mit einer Frage, die sich die Menschen seit Jahrhunderten stellen: Ist es besser, bei einem Sturm widerstandsfähig wie eine Eiche oder belastbar wie eine Weide zu sein?
Die Ergebnisse des Teams, die in der Ausgabe vom 2. März in Science Advances veröffentlicht wurden, können Managern bei der Planung für den Klimawandel und eine wachsende Küstenbevölkerung helfen, die von tropischen Stürmen bedroht ist, die intensiver sind und weiter in die gemäßigten Breiten ziehen. Die Ergebnisse bieten auch einen Rahmen für Managemententscheidungen im Zusammenhang mit anderen Störungen, wie z. B. Nährstoffverschmutzung oder Waldbrände.
Der Hauptautor der Studie, Dr. Christopher Patrick vom Virginia Institute of Marine Science in William & Mary, sagt: “Wir haben festgestellt, dass Küstenökosysteme durchgängig einen Kompromiss zwischen Resistenz und Widerstandsfähigkeit gegenüber tropischen Wirbelstürmen aufweisen. Unsere Ergebnisse machen deutlich, dass eine Bewirtschaftung, die auf eine erhöhte Widerstandsfähigkeit abzielt, zu einer geringeren Widerstandsfähigkeit führen kann und umgekehrt. Dieses Wissen ist für die Entscheidungsfindung in Küstengebieten von entscheidender Bedeutung, insbesondere da der Klimawandel das Risikoprofil durch stärkere und häufigere Stürme in den mittleren Breitengraden verändert.”
Patrick veranschaulicht diese Kompromisse bei der Bewirtschaftung anhand eines Beispiels aus seiner Tätigkeit als Direktor des Seegrasüberwachungs- und -wiederherstellungsprogramms am VIMS. “In der Chesapeake Bay”, sagt er, “ist Seegras im Laufe der Zeit stabiler als Seegras, braucht aber länger, um sich von Störungen wie Wirbelstürmen zu erholen. Dieser Kompromiss, der auch für Rückgänge der Wasserqualität oder Hitzestress gilt, ist ein wichtiger Faktor für Küstenmanager bei der Auswahl der Seegrasarten, die wiederhergestellt werden sollen.
Das Forschungsteam besteht aus 23 Wissenschaftlern aus 11 Staaten, Puerto Rico und Taiwan. Ihre Studie steht im Zusammenhang mit einem von der National Science Foundation finanzierten Forschungskoordinationsnetz, das das Wissen über die Reaktionen von Ökosystemen auf Wirbelstürme zusammenfassen soll. Neben Patrick gehören Dr. John Kominoski von der Florida International University, Bill McDowell von der University of New Hampshire und Beth Stauffer von der University of Louisiana in Lafayette zu den Co-Autoren und Mitgliedern des Leitungsteams des Netzwerks.
Ein sich wiederholendes Muster von Widerstands-/Widerstandsfähigkeitskonflikten
Insgesamt nutzten die Forscher Erhebungen vor und nach dem Sturm, um die Muster der Widerstandsfähigkeit und Resilienz von Ökosystemen bei 26 Stürmen der nördlichen Hemisphäre zu analysieren. Diese waren zwischen 1985 und 2018 in Staaten von Texas bis North Carolina sowie in Puerto Rico und Taiwan an Land gegangen.
Die Forscher erfassten die Merkmale und Auswirkungen der Stürme anhand der Gesamtniederschlagsmenge, der maximalen Niederschlagsmenge und der Windgeschwindigkeit und teilten ihre Untersuchungsgebiete in vier Ökosysteme (Süßwasser, Salzwasser, Feuchtgebiete und Land) und fünf “Reaktionskategorien” ein, was insgesamt 4.138 Zeitreihen ergab. Die Reaktionskategorien dokumentierten nach dem Sturm nicht nur Veränderungen in der Verteilung und Häufigkeit von Lebewesen – Populationen von mobilen Tieren wie Fischen, sesshaften Tieren wie Austern und Gefäßpflanzen wie Mangroven – sondern auch in der Biogeochemie des Ökosystems (z. B. Salzgehalt, Stickstoff) und der Hydrographie (z. B. Tiefe und Position der Uferlinie).
“Unsere Studie ergab ein wiederholtes Muster von Kompromissen zwischen Resistenz und Widerstandsfähigkeit über alle Kategorien hinweg”, sagt Patrick. Die Autoren stellen fest, dass diese Muster wahrscheinlich das Ergebnis einer evolutionären Anpassung sind und mit Theorien über ökologische Störungen übereinstimmen, was darauf hindeutet, dass die Anfälligkeit der Ökosysteme für tropische Wirbelstürme von einheitlichen Regeln bestimmt wird.
Als ein Beispiel führen die Forscher das Schicksal der jamaikanischen Wälder nach dem Hurrikan Gilbert an. Als dieser heftige Sturm der Kategorie 5 1988 über die Insel hinwegzog, verwüstete er robuste, normalerweise widerstandsfähige Arten wie den jamaikanischen Baumfarn und ermöglichte es Myrten und anderen unkrautartigen, strauchartigen Arten, die nun offenen Lücken im Kronendach zu besiedeln.
Ein weiteres Beispiel: Als Hurrikan Harvey 2017 in Texas wütete, schnitt die Erosion dieses Sturms der Kategorie 4 tiefe Rinnen in die lokalen Küstenfeuchtgebiete und begünstigte die Erholung des höheren Salzwiesen-Kordgrases gegenüber kürzeren Sumpfarten, während Feuchtgebiete, die von Mangroven dominiert werden, weniger Erosion erfuhren als Sümpfe.
Hurrikan Harvey verringerte auch die Biomasse des Küstenphytoplanktons in den Gewässern vor der texanischen Küste und führte zu einer Verschiebung der dominierenden Gruppen. Solche Veränderungen in der Gemeinschaftsstruktur mikroskopisch kleiner Organismen – der Basis aquatischer Nahrungsnetze – können sich darauf auswirken, wie viel Energie für größere Organismen zur Verfügung steht, die in der Region ökologisch und wirtschaftlich wichtig sind.
Wissen als Grundlage für wirksame Strategien
Die Ergebnisse des Teams deuten darauf hin, dass Manager, die versuchen, sowohl die Widerstandsfähigkeit als auch die Widerstandsfähigkeit von Küstenökosystemen zu verbessern, vor einer unmöglichen Aufgabe stehen könnten. Andererseits bieten ihre Ergebnisse wertvolle Anhaltspunkte für die Wahl der effektivsten Bewirtschaftungsstrategie für einen bestimmten Standort.
“Wenn es nicht möglich ist, sowohl die Resistenz als auch die Widerstandsfähigkeit zu verbessern”, fragt Patrick, “worauf sollte man sich dann konzentrieren? Die Antwort hängt sowohl von den spezifischen Projektzielen als auch von der zu erwartenden Intensität und Häufigkeit von Störungsereignissen ab.
In einem relativ statischen, vorhersehbaren Klima wäre Resistenz in Gebieten mit seltenen Störungen im Allgemeinen die bessere Wiederherstellungsstrategie. “In diesem Szenario”, so Patrick, “würden Manager idealerweise die Resistenz als Hauptmerkmal ihrer Wiederherstellungsstrategie wählen, damit die Funktion, an der sie interessiert sind – Verlangsamung der Küstenerosion, Erhaltung der Wasserqualität – nicht ins Wanken gerät, wenn sie durch eine große Störung beeinträchtigt wird.” Manager könnten sich beispielsweise dafür entscheiden, Mangroven anstelle von Sumpfgräsern zu pflanzen, um sich vor der Küstenerosion zu schützen, da Mangroven widerstandsfähiger gegen große Sturmwellen sind.
Wenn sich jedoch die Bedingungen ändern, kann sich die Resilienz als bessere Option erweisen. Patrick: “Wenn Störungen schwerer oder häufiger auftreten oder beides – und damit die potenzielle Widerstandsfähigkeit einer bestimmten Art übersteigen – könnten sich die Manager auf die Widerstandsfähigkeit konzentrieren, damit sich die Bestände nach Störungen schnell wieder erholen.”
“Wenn es 25 Jahre dauert, bis eine Baumart groß genug ist, um einem durchschnittlichen Wirbelsturm zu widerstehen, aber ein Gebiet jetzt alle 20 Jahre von Wirbelstürmen heimgesucht wird, ist es wahrscheinlich vergebliche Mühe, sie zu kultivieren”, fügt er hinzu. “Die beste Wiederherstellungsstrategie hängt von der Häufigkeit und Intensität der gegenwärtigen und zukünftigen Störungsereignisse ab.
Zukünftige Richtungen
Als eine der ersten umfassenden Studien über die ökologischen Auswirkungen tropischer Wirbelstürme wirft die Analyse des Teams ebenso viele Fragen auf, wie sie Antworten gibt, und weist auf mehrere wichtige Bereiche für die künftige Forschung der Gruppe hin, die offiziell als Hurricane Ecosystem Response Synthesis Network (HERS) bezeichnet wird.
Zu den künftigen Forschungsbereichen, die von einem HERS-Lenkungsausschuss geleitet werden, gehören Studien darüber, wie Artenmerkmale wie Fortpflanzungspotenzial, Ausbreitungsmodus und -distanz sowie physiologische Toleranz Muster der Resistenz und Widerstandsfähigkeit auf Populationsebene erklären könnten oder wie die langfristige oder jüngste Umweltgeschichte eines Ökosystems seine Reaktion auf nachfolgende Störungen beeinflussen könnte. Wissenschaftler glauben zum Beispiel, dass der Hurrikan Agnes von 1972 die Seegrasbestände in der Chesapeake Bay besonders stark beeinträchtigt hat, weil er im Juni eintraf, bevor die meisten Arten ausgesät waren. Mit mehr Wissen über frühere Bedingungen könnten Manager die wahrscheinliche Empfindlichkeit eines Ökosystems gegenüber einer vorhergesagten Störung besser einschätzen.
Ein weiterer wichtiger Bereich für die künftige HERS-Forschung ist die Bestimmung der Stabilität hoch entwickelter Küstenökosysteme angesichts tropischer Wirbelstürme. Patrick: “Künftige Studien werden unsere Fähigkeit verbessern, zu verstehen, wie lokale menschliche Stressfaktoren wie die Nährstoffverschmutzung mit globalen Stressfaktoren wie dem Klimawandel interagieren können, um ein bestimmtes Ökosystem oder einen bestimmten Ort zu beeinflussen, und so dazu beitragen, die Bemühungen zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit oder Resistenz der Küsten gezielt einzusetzen.”
Datum: März 2, 2022
Quelle: Virginia Institut für Meereswissenschaften
Journal Reference:
- Christopher J. Patrick, John S. Kominoski, William H. McDowell, Benjamin Branoff, David Lagomasino, Miguel Leon, Enie Hensel, Marc J. S. Hensel, Bradley A. Strickland, T. Mitchell Aide, Anna Armitage, Marconi Campos-Cerqueira, Victoria M. Congdon, Todd A. Crowl, Donna J. Devlin, Sarah Douglas, Brad E. Erisman, Rusty A. Feagin, Simon J. Geist, Nathan S. Hall, Amber K. Hardison, Michael R. Heithaus, J. Aaron Hogan, J. Derek Hogan, Sean Kinard, Jeremy J. Kiszka, Teng-Chiu Lin, Kaijun Lu, Christopher J. Madden, Paul A. Montagna, Christine S. O’Connell, C. Edward Proffitt, Brandi Kiel Reese, Joseph W. Reustle, Kelly L. Robinson, Scott A. Rush, Rolando O. Santos, Astrid Schnetzer, Delbert L. Smee, Rachel S. Smith, Gregory Starr, Beth A. Stauffer, Lily M. Walker, Carolyn A. Weaver, Michael S. Wetz, Elizabeth R. Whitman, Sara S. Wilson, Jianhong Xue, Xiaoming Zou. A general pattern of trade-offs between ecosystem resistance and resilience to tropical cyclones. Science Advances, 2022; 8 (9) DOI: 10.1126/sciadv.abl9155